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高***煤层群顶板大直径千米钻孔抽采技术
收录时间:2022-11-25 23:01:53  浏览:0
第 34卷第 6期煤 炭 学 报Vo l 34 No 6 2009年6月JOURNAL OF CH I NA COAL SOCI ETYJune 2009 文章编号 0253 9993 2009 06 0797 05 高***煤层群顶板大直径千米钻孔抽采技术 赵耀江 1 4 谢生荣 2 温百根 3 郭海东4 袁胜军4 1 中国矿业大学 北京 资源与安全工程学院 北京 100083 2 北京科技大学 土木与环境工程学院 北京 100083 3 华晋焦煤有限 责任公司 山西 离石 033315 4 太原理工大学 矿业工程学院 山西 太原 030024 摘 要 基于***流动规律建立了顶板裂隙抽采钻孔组抽采条件下垂直平面上的***流动模型 应用复变函数理论对该模型进行了求解 并开展了钻孔之间抽采量及其相互影响的研究 在分析 研究顶板大直径千米钻孔抽采技术原理的基础上 结合从德国引进的 DDR 1200千米定向钻机 开展了顶板大直径千米钻孔***抽采技术的试验研究 研究结果表明 实施顶板大直径千米钻孔 抽采技术治理***效果显著 钻孔抽采***浓度可达 50 以上 能抽采出大量高浓度*** 实 现煤与***安全高效共采 关键词 高*** 近距离煤层群 大直径千米钻孔 中图分类号 TD712 6 文献标识码 A 收稿日期 2008 10 11 责任编辑 毕永华 作者简介 赵耀江 1964 男 山西太原人 博士研究生 E mai lzhao y jnetease com Gas drainage technique by 1 000 m long and large diameter roof boreholes in high gas coal seam group ZHAO Yao jiang 1 4 XIE Sheng rong2 WEN Bai gen3 GUO Hai dong4 YUAN Sheng jun4 1 College of Resources 2 College of Civil and Environmental Engineering University of Science and T echnology Beijing Beijing 100083 China 3 Huajin Coking Coal Co Ltd Lishi 033315 China 4 College ofM ining Engineering Taiyuan University of T echnology Taiyuan 030024 China Abstract Themodelon vertical surface of goaf in the condition of extractionwas set up which was used for si mu lating gas flow among roof fissure boreholes group The modelwas solved by the theory of complex variable func tion andmeanwhile themutual interference a mong those boreholeswas studied Combined withDDR 1200 direc tional rig from Germany gas drainage technique by 1 000m long and large diameterwas tested under analyzing the drainage principle The results show that it is very effective in controlling coal gas and a great a mount of over 50 of high concentration gas can be drawn out and the safe and high efficient exploitation of coal and gas is achieved Key words high gas contiguous coal seam group 1 000 m long and large diameter borehole 随着开采范围的扩大和集约化生产程度的迅速提高 一些矿井的***地质条件越来越复杂 煤层*** 已成为制约这些矿井安全高效生产的关键因素 如何将煤层***安全抽采并加以利用 实现新能源供应 矿井安全生产和环境保护 一直都是广大科研工作者努力的方向和目标 目前 我国学者对复杂地质条件下的***抽放理论和技术已经有了较深入的研究 1 4 但是对于应用 千米定向钻机设备进行高***近距离煤层群***抽采技术尚缺乏研究 顶板千米钻孔抽采技术有效地改变 了采空区***流场 减弱了采空区***涌出强度 具有***抽采浓度高 抽采系统运行费用低 综合治理 效果好 且经济效益显著等优势 本文在理论分析 建立数学模型及现场试验的基础上 对山西沙曲矿高 煤 炭 学 报 2009年第 34卷 ***煤层群顶板大直径 200 mm 千米钻孔抽采技术进行试验研究 解决了多年来严重制约矿井发展 的***难题 实现了煤与***安全高效共采 1 矿井试验条件 沙曲矿井位于山西省西部河东煤田中段的离柳矿区 井田煤系地层为石炭系上统太原组和二叠系下统 山西组 共发育 15层煤 沙曲矿为高***且具有煤与***突出危险的矿井 煤层赋存呈现高*** 近距 离 多煤层 不稳定等特点 矿井前期主采煤层为 4号煤层 煤层平均厚度为 2 45 m 其邻近层自上而 下为 2煤 3煤及 5煤 煤层层间距均小于 10m 且***含量大 其中 4号煤层原始***含量为 30 73 41 25 m 3 t 其上 下邻近层 3煤 5煤 原始***含量亦达 20 m 3 t以上 现场数据表明 14205综采 工作面风排和抽放***量达 100 m 3 m in以上 该矿在综合应用本煤层预抽 邻近层抽放 尾巷抽放及高 抽巷抽放 4种抽放方式的情况下 综采工作面上隅角及回风流***仍经常超限 断电频繁 严重影响正常 生产和矿井安全 沙曲矿自 2004年建成投产以来 一直未达设计生产能力 ***已成为制约矿井发展的 瓶颈 2 顶板大直径千米钻孔抽采技术原理 图 1 顶板大直径千米钻孔布置 Fig 1 A rrangement of the 1 000 m long and large dia meter roofboreholes 2 1 顶板大直径千米钻孔抽采技术原理分析 在前人对覆岩采动裂隙分布特征及采空区卸压 ***运移规律研究的基础上 5 6 本文结合沙曲矿 的实际情况 提出了顶板大直径千米高抽钻孔组和 裂隙钻孔组联合抽采***技术 如图 1所示 顶板大直径千米高抽钻孔组抽采技术就是在采 动裂隙 O 形圈回风侧布置一组千米钻孔 利用 采动裂隙 O 形圈作为运移通道来抽采采空区瓦 斯 改变采空区***流场 有效解决上隅角***超 限问题 由于 O 形圈长期存在 抽采钻孔能够 长时间 稳定地抽采出高浓度*** 由于沙曲矿近 距离高***煤层群的赋存特性 仅靠高抽钻孔组不能完全解决沙曲矿的***治理难题 因此 在采空区顶 板竖直方向上的 形拱 7 采动裂隙中部区域布置一组大直径千米裂隙抽采钻孔组 采空区不同*** 涌出源的***在浮力作用下沿采动断裂带裂隙通道上升 上升中不断掺入周围气体 使涌出源***与环境 气体的密度差逐渐减小 直到密度差为零 混合气体则会***在断裂带上部的离层裂隙内 8 在***浮 力 浓度梯度及通风负压的作用下 形拱采动裂隙区成为******区 为采动断裂带内钻孔抽采 巷道排放等治理***技术提供条件 2 2 采空区垂直平面裂隙钻孔组抽采***流动模型 为了研究顶板裂隙抽采钻孔之间的相互影响问题 本文建立了顶板裂隙抽采钻孔组抽采条件下垂直平 面上的***流动模型 并作如下假设和简化 ***流动过程为等温过程 且服从达西定律和质量守恒 定律 采动裂隙介质为均质 在采动裂隙区垂直平面上 近似将单个千米钻孔抽采***引起的*** 流动认为是不可压缩流体径向稳定流动 本模型仅考虑裂隙抽采钻孔组之间的相互干扰问题 暂不考 虑高抽钻孔组的影响 现场实测综采工作面进回侧的压差仅为 260 Pa左右 远远小于千米钻孔抽采负 压 18 66 23 99 kPa 忽略通风负压影响 千米抽采钻孔的直径仅为 200 mm 且裂隙钻孔组位于 采动裂隙区域中部 该模型可以用下部 3号煤层为补给边界的半无限平面大直径钻孔抽采***流动问题等 价代替 基于上述假设及模型近似简化 建立如图 2所示的***流动模型 设图 2中 x轴即为无限长直线*** 798 第 6期赵耀江等 高***煤层群顶板大直径千米钻孔抽采技术 图 2 裂隙抽采钻孔组剖面图及镜像映射 F ig 2 The section drawing of fissure borehole tea m and them irroringmapping 供给边界 实际中表示上临近 3号煤层 距开采 4号煤层 10 45 m 千米抽采钻孔组作为汇点距直线供给边界距离均 为 h 钻孔间距为 d 钻孔直径为 D 钻孔抽采量为 Qi 根据 镜像原理 以 x 轴为对称轴的位置上存在有一异号抽采钻孔 组 实际流动限于上半平面 对于均质地层的二维稳态渗流 利用复变函数理论会使 问题大为简化 由复变函数理论可知 一个二维稳态渗流必 具有一个确定的复势函数 W z i z x iy 容易得到 无限大平面中单个源汇流动的复式函数为 W z q 2 ln z z0 z0 x0 iy0 式中 q为源汇强度 为源 为汇 根据镜像原理 得无限长直线供给边界的单个千米抽采钻孔 No 1 的势函数为 1 x y q 1 4 ln x 2 y h 2 x 2 y h 2 C 1 式中 q 1为 q的镜像钻孔源汇强度 为源 为汇 将场点分别取在钻孔壁上 xb 0 yb h D 2 和直线边界的坐标*** xc 0 yc 0 则有 q 1 2 1c 1b ln 4h D 式中 1c 1b为场点分别位于坐标***和钻壁处的势函数 根据***流动理论 9 引入复势函数 x y P x y 式中 为岩层透气性系数 m 2 MPa 2 d P 为***压力的平方 P p 2 MPa 2 p为位置 z处的*** 压力 MPa 设千米钻孔有效抽采长度为 L Q 1 q 1L 则直线供给边界附近单个抽采钻孔的抽采量为 Q 1 2 L P1c P1b ln 4h D 式中 P1c P1b分别为坐标***处和钻孔壁处***压力的平方 MPa 2 在单个千米钻孔抽采条件下***流动研究的基础上 应用叠加原理研究直线供给边界多个抽采钻孔的 问题 则由式 1 得其势函数为 x y 1 4 n i 1 qiln x i 1 d 2 y h 2 x i 1 d 2 y h 2 C 设每个钻孔的抽采负压相等 顶板裂隙钻孔组的钻孔数为 3个 依据建立的***流动模型有 Q1 Q3 将场点分别取在 No 1和 No 2钻孔上 则建立 2个方程即可 P 2Q3ln 4h D Q1ln 1 h 2 d 2 Q2ln 1 4h 2 d 2 4 L P 2Q2ln 4h d Q1ln 1 4h 2 d 2 Q3ln 1 h 2 d 2 4 L 由以上方程组可得 Q1 Q3 4 pL ln 16h 2 D 2 1 4h 2 d 2 ln 16h 2 D 2 ln 16h 2 D 2 ln 1 h 2 d 2 2 ln 1 4h 2 d 2 2 2 Q2 Q1 1 ln 1 16h 2 D 2 1 h 2 d 2 ln 16h 2 D 2 1 4h 2 d 2 3 分析式 2 和式 3 得出 抽采钻孔距离无限长直线供给边界的距离 h值越小 抽采量越大 抽 799 煤 炭 学 报 2009年第 34卷 采钻孔间距 d越小 即两钻孔越靠近 抽采量越小 因此 在采动裂隙分布特征和卸压***流动规律的基 础上 钻孔组的布置位置及间距对***抽采效率有较大影响 根据沙曲矿综采工作面裂隙抽采钻孔组布置 方式的研究结论 h d 2 5 h D 80 则 Q1和 Q3为单个钻孔抽采量的 94 2 Q2为其抽采量的 90 8 Q1 Q3 Q2 则是因为中间位置抽采钻孔受到了周边 2个抽采钻孔的干扰 而两边钻孔仅受到 一个方向的干扰 3 顶板大直径千米钻孔抽采试验 3 1 抽采钻孔参数的确定 根据顶板千米钻孔抽采原理分析 高抽钻孔组布置在 O 形圈回风侧内 主要抽采工作面上隅角瓦 斯 起高抽巷的作用 顶板裂隙钻孔组布置在顶板 形拱采动裂隙区 主要抽采采空区内邻近层卸 压*** 起减弱采空区***涌出强度的作用 根据沙曲矿 14205综采工作面***涌出量测定结果分析及数 值模拟研究 确定高抽钻孔组的钻孔数为 3个 3个 钻孔在垂直面上成等边三角形布置 钻孔位置位于 开采煤层顶板垂高 10 25 m内 回风侧水平距离 10 35 m范围内 顶板裂隙钻孔组钻孔数为 3个 基 本位于同一水平 布置在距开采煤层顶板垂高 24 28m范围内 钻孔间距 40 m 14205综采工作面顶 板大直径千米抽采钻孔布置如图 3所示 3 2 抽采效果分析 通过对钻孔***流量分析及现场实测研究表明 采用 2组大直径千米钻孔组进行***抽采相比较原 来采用的采空区 高抽巷的联合抽采方式来说 其 优点表现在 工艺简单 成本低 避免了高抽 巷道的***库问题 安全性高 ***抽采浓度 高 运行费用低 合理的布置形式 有效解决上 隅角***问题 缓解了高***突出矿井采掘接替 紧张的问题 抽采时间长 效能高 根据现场实 测钻孔的***抽采浓度均达到 50 以上 工作面瓦 斯总抽采率达到 52 9 实施***抽采后上隅角 尾巷及回风巷***浓度变化曲线如图 4所示 现场 实践表明 顶板大直径千米钻孔抽采技术有效地解 决了沙曲矿综采工作面***超限难题 且钻孔抽采 浓度稳定在较高的水平 不仅为矿井安全高效生产 创造了条件 而且为沙曲矿电厂提供了清洁能源 实现***资源合理有效利用 4 结 论 1 上覆岩层采动裂隙分布特征分析及采空区***运移规律研究表明 抽采卸压***关键在于将千米 抽采钻孔打到采动裂隙 O 形圈和 形拱裂隙区内 才能长时间 稳定地抽采出高浓度*** 2 通过求解采空区垂直平面裂隙钻孔组抽采***流动模型 可以得出 2侧和中间钻孔的抽采量分别 为单孔抽采量的 94 2 和 90 8 工作面***抽采率达 52 9 3 提出了大直径千米高抽钻孔组和裂隙钻孔组联合抽采***技术方案 其中顶板裂隙钻孔组距离 4 号开采煤层 24 28m 钻孔间距 40 m 800 第 6期赵耀江等 高***煤层群顶板大直径千米钻孔抽采技术 参考文献 1 李树刚 李生彩 ***飞 等 卸压***抽取及煤与***共采技术研究 J 西安科技学院学报 2002 22 3 247 263 Li Shugang L iShengca i L inHaife i et a l Technique of drawing relievedmethane and si multaneous extraction of coal and coalbedmethane J JournalofX i an University of Science and Technology 2002 22 3 247 263 2 程远平 俞启香 袁 亮 等 煤与远程卸压***安全高效共采试验研究 J 中国矿业大学学报 2004 33 2 132 136 Cheng Yuanping Yu Q ix iang Yuan L iang et a l Experi mental research of safe and high efficient exploitation of coal and pressure relief gas in long distance J JournalofChinaUniversity ofM ining and Technology 2004 33 2 132 136 3 姚尚文 改进抽放方法提高***抽放效果 J 煤炭学报 2006 31 6 721 726 Yao Shangwen I mproving method and increasing effect of gas drainage J Journal ofChina Coal Society 2006 31 6 721 726 4 秦跃平 姚有利 刘长久 铁法矿区地面钻孔抽放采空区***技术及应用 J 辽宁工程技术大学学报 自然科学 版 2008 27 1 5 8 Q in Yueping Yao Youl iLiu Changjiu Technology of surface boreholes for drainage of goaf gases and application in T iefa m ining area J Journal of Liaoning TechnicalUniversity Natural Science 2008 27 1 5 8 5 钱鸣高 许家林 覆岩采动裂隙分布的 O 形圈特征研究 J 煤炭学报 1998 23 5 466 469 Q ianM inggao Xu Jialin Study on the O shape circle distribution characteristics ofmining induced fractures in the over laying strata J Journal ofChina Coal Society 1998 23 5 466 469 6 俞启香 程远平 蒋承林 等 高***特厚煤层煤与卸压***共采原理及实践 J 中国矿业大学学报 2004 33 2 127 131 Yu Q ixiang Cheng Yuanping Jiang Chenglin et a l Principles and applications of exploitation of coal and pressure reliefgas in thick and high gas sea ms J Journal ofChina University ofM in
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